增強副熱帶高壓對西南渦影響的數值試驗

盧萍 李躍清

1 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072

2 高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072

1 引言

西南低渦（簡稱“西南渦”）是青藏高原東側背風坡地形與大氣環流相互作用下（Wang and Tan,2014）,在我國西南地區（26°～33°N，100°～108°E）形成的具有氣旋式環流的700或850 hPa等壓面的α中尺度閉合低壓渦旋系統（盧敬華,1986;何光碧,2012;李躍清和徐祥德,2016;李國平和陳佳,2018）。九龍地區、四川盆地和小金一帶是西南渦的三個生成集中區（陳忠明等,2004;慕丹和李躍清,2017;馬勛丹等,2018）,其主要活動路徑有三條：偏東路徑、東南路徑、東北路徑（王金虎等,2015）。

西南渦是我國重要的暴雨中尺度系統，中尺度系統都是在有利的大尺度環境場下醞釀產生的，對流層中低層大尺度與中尺度系統之間的相互作用使得中尺度系統迅速發展（沈新勇等,2018）。陳忠明（1989）提出西南渦的移動受到許多因子影響，其中環境流場的引導起著較重要作用。丁治英和呂君寧（1991）通過對發展東移和不發展東移的西南渦合成診斷發現：移出渦渦前為暖平流，渦后為冷平流，西南風低空急流較強，低層以輻合為主，移出渦擾動動能的制造大于消耗。盧敬華和雷小途（1996）指出西南渦的移動除受綜合引導氣流牽引之外，重要的是受700 hPa高度場上的散度、渦度平流、斜壓性/動量垂直渦旋通量分布不均勻以及地面氣壓梯度與西南渦綜合渦度產生的控制。黃明政等（2005）發現對流層上部大尺度環流的變化使得低層的西南渦和氣旋開始發生發展，再配合高空槽的抽吸作用，最終導致暴雨發生。潘旸等（2011）研究了東移西南渦空間結構的氣候學特征，指出高層風速差異的緯向梯度加強了長江中游地區的高空輻散，在西南渦東部形成有利于降水和氣旋性環流發展的動力抬升機制；對流層低層的西風偏差在青藏高原南麓至我國東部長江以南形成一條異常的水汽輸送帶，為低渦東部的降水潛熱反饋作用提供了充足的水汽。Zhong et al.（2014）認為副高和700 hPa地轉風對西南渦的移動方向起著重要作用。Wang and Liu（2017）認為在河南2013年5月25～26日的大暴雨過程中，低空西南風急流及其暖平流在西南渦的發展和移動過程中扮演著重要角色。雷麗娟和雷小途（2018）指出臺風“瑪瑙”間接阻擋西南渦東移，減緩其東移速度；其強大的水汽源未向西南渦直接提供水汽。

南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓（簡稱“副高”）阻塞形勢是暴雨形成的環流背景，對流層中層東移的槽脊系統與低層的低渦系統相配合，高空急流和低空急流上下耦合，共同造成了暴雨的發生發展。大尺度天氣系統對西南渦發展過程的影響是一個復雜的科學問題，也是研究西南渦中尺度系統不可回避的科學難題。尤其是副高，它是夏半年西南渦發展演變過程中無法繞開的一個重要大尺度系統。從眾多西南渦引發的暴雨天氣過程都可以發現，在西南渦發展演變過程中，往往存在副高大尺度天氣系統的直接或間接影響。數值敏感性試驗乃是研究該科學問題的有效途徑，因此，本文以2015年7月21日00時至24日00時（協調世界時，下同）（簡稱“20150721”過程）一次西南渦伴隨副高的東退而東移的典型過程為例，設計了增大副高強度的敏感性試驗，通過與對照試驗的對比分析具體探討增強副高對西南渦活動的影響。

2 天氣過程和數值試驗

2.1 模式介紹

本文數值試驗采用AREM（Advanced Regional Eta Model）/LASG數值模式，該模式垂直方向采用ETA坐標，對于地形復雜的西南山地區域暴雨天氣具有較好的模擬和預報能力（宇如聰,1994;公穎等,2010;Luo and Zhang,2011）。模式區域范圍為（15°～45°N，85°～125°E），水平分辨率約為12 km，垂直方向分為42層，模式層頂為10 hPa。模式物理過程包括：顯式云預報方案、簡化的Betts對流調整方案、非局地大氣邊界層方案、Berjamin和Seaman的考慮地表輻射平衡的簡單輻射參數化方案、多層結通量—廓線的地表參數化方案，模式參數詳見有關參考文獻（盧萍等,2014）。模式以NCEP再分析資料（1°×1°）為背景場和時變（6 h）邊界場，結合常規臺站資料作為初值，積分72 h，輸出分辨率為0.2°E×0.1°N逐時的溫度、氣壓、濕度、風場和雨量等要素場。

2.2 過程概況

2015年7月21日00時至24日00時，我國西南地區生成一個西南渦并東移發展，引發一次自西向東的大范圍強降水天氣過程（實況降水如圖2a所示）。7月21日12時，500 hPa四川盆地西部到甘孜州南部為青藏高壓和副高之間的切變線，河套東部到陜南是一西風低槽，700 hPa四川盆地西部有西南渦生成，并延伸到500 hPa以上。整個過程中河套低槽逐漸向南推進，副高東退，青藏高壓則有西伸的趨勢，使得兩高之間的低值系統（西南渦）也逐漸東移（圖略）。

2.3 敏感性試驗

副高的強弱、進退和移動，同中國的天氣以及旱澇等的關系極其密切，是夏半年天氣預報中需要著重分析研究的天氣系統之一。中尺度系統都是在有利的大尺度環境場下醞釀產生的，副高作為大尺度天氣系統對中小尺度天氣系統的發生發展有著非常重要的影響。研究副高強度對西南渦的影響具有相當的現實意義，而數值敏感性試驗是此類研究的有效方法，增大副高強度的敏感性試驗設計如下：

思路：增大位勢高度值高于閾值范圍內的所有格點的位勢高度值（以水平梯度最小區域的位勢高度值為域值）。水平范圍：位勢高度值超過該閾值的區域；垂直范圍：925～300 hPa。

具體做法：增量是其與閾值之差的40%，以500 hPa為例（見圖1），圖1a是對照試驗中初始場500 hPa位勢高度分布，等值線最為稀疏的區域是5860 gpm，因此定義其為500 hPa的閾值，增大所有位勢高度大于5860 gpm的格點值，增幅為該格點的位勢高度值減去5860 gpm之差的40%。這樣的試驗設計是為了讓改變區域與其他區域之間不出現躍變點，平緩過渡。從試驗設計可清楚地看到，位勢高度越高的區域，其增加幅度也越大（圖1b）。圖1c是500 hPa上敏感性試驗和對照試驗的差值，顯示了主要的改變區域與副高相吻合，且最大差值位于副高中心位置，其值超過35 gpm。圖1d則是二者之差的緯向剖面（沿20°N），顯示了這次敏感性試驗增量最大的層次位于對流層中層（700～500 hPa）。從圖1可以看到，這樣的設計實現了在初始場中增強副高強度的目的。

圖1 2015年7月21日00時500 hPa位勢高度（a）對照試驗、（b）敏感性試驗、（c）敏感性試驗與對照試驗之差以及（d）沿20°N的緯向剖面（單位：gpm）Fig.1 Thepotential height at 500 hPa at 0000 on 21 July 2015:(a)Control test;(b)sensitivity test;(c)differencein the potential heightsobtained by the sensitivity and control tests;(d) differencein thezonal profiles of potential height along 20°N (units:gpm)

3 模擬結果對比分析

3.1 降水分布特征

2015年7月21～24日發生了一次典型的西南渦持續東移造成的強降水天氣過程，其中，圖2a為7月21～24日72 h的實況累計雨量分布。從圖2可知：這是一次典型的降水落區隨著西南渦中尺度系統逐漸由西向東移動的強降水過程，雨帶從四川東南部歷經重慶、湖南、湖北至安徽（圖2a），數值試驗模擬的降水落區較好地再現了雨帶隨時間逐漸向東伸展的基本特征，但強度略強且雨帶略偏北（圖2b），而敏感性試驗的雨帶比對照試驗整體偏北，強度略弱（圖2c）。以上西南渦暴雨天氣過程降水實況與模擬結果的對比分析表明：AREM/LASG數值模式的模擬結果基本再現了這次西南渦東移造成的降水過程。因此，基于該模擬結果開展的增強副高對東移西南渦演變的影響研究是基本可行和可靠的。

圖2 2015年7月21日00時至24日00時72 h累計降水量分布（陰影，單位：mm）：（a）實況；（b）對照試驗；（c）敏感性試驗Fig.2 Accumulated 72–h precipitation from 0000 UTCon 21 July to 0000 on 24 July 2015(shaded, units:mm):(a)Observations;(b)control test;(c) sensitivity test

3.2 環流場的改變

增強副高強度后，整體大尺度環流形勢也會有所改變。圖3是23日00時500 hPa的位勢高度場和風場。ERA5再分析資料（每天4次，0.25×0.25）顯示，相較21日00時，副高北抬，西北部高壓脊穩定維持并略有加強，西伯利亞到巴爾喀什湖附近的深厚低槽穩定分裂短波南移后加強發展為深厚的冷渦。西北氣流和西南氣流在中緯度地區交匯（圖3a）。對照試驗能再現這一整體環流形勢，模擬的副高強度略微偏弱（圖3b）。敏感性試驗中，副高在整個模擬時段都表現得非常強大，對北方冷渦向東向南的發展起到一定的抑制作用，使得北方冷渦的強度偏弱，不能快速從西向東南發展，同時阻礙了西北部高壓脊的發展。西北氣流的強度也因此減弱，向南入侵的深度同樣變淺，副高西北部的西南氣流則有所增強（圖3d）。由此可見，副高作為大尺度系統，增強以后，能長時間的保持其強度，范圍也隨之增大，他不僅能影響到北方冷渦等較大尺度的系統，更能對生命史相對短的中小尺度天氣系統整個發展演變過程造成持續影響。

圖3 “20150721”過程中，7月23日00時500 hPa位勢高度（陰影，單位：gpm）和風場（矢量，單位：m s?1）：（a）ERA5再分析資料；（b）對照試驗結果；（c）敏感性試驗結果Fig.3 Geopotential height(shaded,unit:gpm)and the wind field(vector,unit:m s-1)at 500 hPa at0000 on July 23 in case 20150721:(a)ERA5 reanalysisdata;(b)resultsof the control test;(c)results of the sensitivity test

3.3 西南渦演變過程

首先，對比對照試驗和敏感性試驗模擬的西南渦在初生、強烈發展和旺盛三個生命階段在700 hPa的位置和強度異同。圖4a顯示，初生階段，西南渦生成于四川盆地西部，強西南風氣流和弱北風在該區域輻合，風場呈現明顯的氣旋性彎曲，但西南渦強度弱（圖4a、d）。隨后強烈發展階段，北方的冷空氣入侵更加顯著，西南渦逐漸發展東移加強。此時，對照試驗中西南渦的強度明顯強于敏感性試驗的結果，且低渦中心位置也更偏南（圖4b、e）。旺盛階段，西南渦繼續東移加強，對照試驗的低渦強度遠遠超過敏感性試驗，且低渦中心位置略偏南偏西（圖4c、f）。從各個不同階段風場分布可以推斷造成西南渦演變過程差異的主要原因是：敏感性試驗中入侵的北風偏弱，而副高的增強，使得西南引導氣流偏強，最終導致西南渦發展偏弱向東移速偏快。

圖4 “20150721”過程中，700 hPa西南渦系統隨時間的演變：（a，b，c）對照試驗結果；（d，e，f）敏感性試驗結果。陰影為位勢高度（單位：gpm），矢量是風場（單位：m s?1）Fig.4 Evolution in the geopotential height (shaded,units:gpm)and wind field (vector,units:m s?1)at 700 hPa in case 20150721:(a, b,c)Resultsof the control test;(d,e,f)results of the sensitivity test

“20150721”過程，21日12時至23日12時都有明顯的西南渦中尺度系統存在，整個時段表現為以偏東路徑為主的快速東移過程。ERA5再分析資料中，低渦從（30.75°N，103.5°E）移動到（31.25°N，115°E）。對照試驗中，低渦從（30.9°N，104.2°E）移動到（31.1°N，113.8°E）。敏感性試驗中，低渦從（31.5°N，104.2°E）移動到（33.2°N，115.2°E）。22日00～18時，ERA5再分析資料和對照試驗的西南渦移動方向都為東略偏南，而敏感性試驗的西南渦則是東略偏北，造成敏感性試驗的整體路徑較對照試驗偏北約2個緯度，而22日00～06時和22日18時至23日00時這兩個時段，敏感性試驗模擬的低渦移動速度比對照試驗顯著偏快，造成西南渦整體移動路徑更偏東（圖5）。移動路徑的差異直接導致了模擬的降水分布不同（圖2），可見西南渦的移動路徑直接決定著降水的分布。因此，正確模擬西南渦的位置是準確預報低渦降水落區的關鍵因素。

圖5 “20150721”過程中，ERA5再分析資料（ERA5）、對照試驗（control）以及敏感性試驗（sensitivity）模擬的700 hPa西南渦的移動路徑（12Z21表示7月21日12時，18Z21表示7月21日18時，標志點間隔6小時，以此類推）。相同顏色的方塊、圓點和叉號代表同一時次，粉色陰影為模式地形（單位：m）Fig.5 Movement track of the Southwest vortex at 700 hPa base on ERA5 reanalysis data(ERA5), the control test results(control)and the sensitivity test results(sensitivity)in case 20150721.The squares,dots and crosses of the same color indicates the same time,and the pink shadow indicatesthemodel terrain (units:m).

“20150721”過程，對照試驗初生階段（21日00時）西南渦中心的位勢高度約為3086 gpm，比敏感性試驗和ERA5再分析資料低約10 gpm。隨著模擬時長的增加，對照試驗的西南渦中心位勢高度迅速降低，尤其是21日12時至22日06時這個時段，位勢高度從3086 gpm快速降低到3051gpm，而同一時段敏感性試驗模擬的西南低渦中心位勢高度從3097 gpm下降到3087 gpm，降幅僅為10 gpm，顯著偏小，ERA5再分析資料給出的西南低渦中心位勢高度則從3098 gpm下降到3074 gpm，降幅達24 gpm。此后，模擬的西南渦中心位勢高度值繼續在此基礎上呈現緩慢降低趨勢（圖6）。整個“20150721”過程中，對照試驗模擬的西南渦強度比ERA5再分析資料和敏感性試驗都偏大，直接導致其模擬的降水強度也比實況和敏感性試驗顯著偏強（圖2），這進一步驗證了西南渦強度是決定降水強度的直接關鍵影響因素。

圖6 “20150721”過程中，ERA5再分析資料（ERA5）以及對照試驗（control）、敏感性試驗（sensitivity）模擬的700 hPa西南渦中心位勢高度隨時間的演變（單位：gpm）Fig.6 Evolution of the center potential height of the Southwest vortex at 700 hPa over time base on ERA5 reanalysis data(ERA5),the control test results(control)and the sensitivity test results(sensitivity)in case 20150721(units:gpm).

通過對西南渦演變過程的對比發現：兩個試驗模擬結果在21日18時至22日06時這個時段演變最為劇烈。因此，下面重點對22日00時和06時兩個時次展開對比分析，由此探討造成西南渦演變過程差異的關鍵影響因素。

3.4 西南渦演變過程差異的關鍵影響因素

22日00時，西南渦中心入流的整層水汽主要來源于西南和西北兩個方向，且以西南氣流為主，一部分水汽在西南渦附近產生明顯的氣旋性輻合，另一部分從東北方向流出。對照試驗和敏感性試驗的差異清晰地顯示：對照試驗中無論西北方向還是東南方向的入流水汽都顯著多過敏感性試驗的結果（圖7a、c）。22日06時，東南方向輸送來的水汽更加充沛，且隨著西南渦強度的加深，在其附近產生的氣旋性輻合也隨之增強，二者的差異與00時相似，主要體現在對照試驗入流的水汽明顯大于敏感性試驗，而出流則相反（圖7b、d），該差異直接說明了對照試驗中有更多的水汽輻合并垂直向上輸送，必然造成更強的潛熱反饋作用，從而更有利于西南渦的不斷發展。

圖7 2015年7月22日00時和06時的整層水汽通量（陰影和流線，單位：kg m?1 s?1）：（a，b）對照試驗結果；（c，d）敏感性試驗結果。白色圓點是700 hPa低渦中心位置Fig.7 Water vapor flux for the whole layer(shaded and streamline, units:kg m?1 s?1)at 0000 UTCand 0600 UTC 22 Jul 2015:(a,b)Resultsof the control test;(c,d) resultsof thesensitivity test.Thewhite dot isthecenter of the Southwest vortex at 700 hPa

22日00時，對照試驗西南渦中心的假相當位溫明顯高于其它區域，尤其是低渦中心低層存在明顯的假相當位溫高值區，而中間層的假相當位溫垂直梯度小，自下而上整層結構表現為：強不穩定層結—中性層結—穩定層結，這樣的大氣垂直結構非常有利于對流的發生發展（圖8a），敏感性試驗的假相當位溫垂直分布與對照試驗相似，但低層假相當位溫的極值區與西南渦中心位置略有偏離（圖8c）。22日06時，對照試驗假相當位溫繼續增高，層結顯得更加不穩定（圖8b），敏感性試驗的西南渦中心與低層假相當位溫的極值區偏離距離有所增大，由此造成其對流發展弱于對照試驗（圖8d）。

圖8 經過西南渦中心的假相當位溫經向剖面（陰影，單位：K）：（a，b）對照試驗結果；（c，d）敏感性試驗結果。豎虛線是700 hPa西南渦中心位置Fig.8 Meridional section of pseudo-equivalent potential temperature(units:K) passing through the center of the Southwest vortex:(a,b)Results of the control test;(c,d) results of thesensitivity test.Thevertical dotted lineis the center of the Southwest vortex at 700 hPa

22日00時，對照試驗中，西南渦中心北側低層有較強的偏北風氣流，南側低層之上為較強的偏南風氣流，東西風氣流在低渦中心附近交匯，且偏東風氣流從低層入侵現象明顯（圖9a）。敏感性試驗中，低渦中心北側低層也有較強的偏北風氣流，南側低層之上為較強的偏南風氣流，東西風氣流同樣在低渦中心附近交匯，低層偏東風氣流也有顯著的入侵現象，只是這股偏東氣流略弱于對照試驗（圖9c）。22日06時，對照試驗的低層偏北氣流基本維持略有減弱，但低渦南側低層之上的偏南風入流在整層都有顯著增強，此地交匯的南北風氣流比22日00時更強大，表現出非常強烈的暖濕氣流抬升和氣旋性輻合特征（圖9b）。敏感性試驗中，低渦中心南側低層之上偏南風入流非常強，而北側低層的偏北風入流則明顯較弱，東西方向的交匯氣流呈現為低層偏東風控制，低層之上則是偏西風為主（圖9d），敏感性試驗在2個時刻的低層偏北風都弱于對照試驗，冷空氣的影響被極大地削弱。由此可知：對照試驗和敏感性試驗都表現出了西南渦北側低層的偏東偏北氣流與南側低層之上的偏西偏南氣流的交匯和氣旋式輻合以及高緯氣流低層入侵和低緯氣流抬升的基本特征，但具有強度、范圍、結構等的明顯差異。

圖9 同圖8 ，但為水汽通量經向剖面（單位：g cm?1 hPa?1 s?1），其中陰影為南北向通量，等值線為東西向的水汽通量Fig.9 Same as Fig.8,but for the meridional section of the water vapor flux (units:g cm?1 hPa?1 s?1).The shaded area is the north–south flux and the contour line isthe east–west water vapor flux

22日00時，對照試驗中，西南渦中心東側低層的偏東風氣流明顯強于中高層的偏西風出流，南北風氣流在低渦中心附近交匯，且偏北風氣流從低層入侵現象明顯（圖10a）。敏感性試驗中，西南渦中心東側低層的偏東風氣流和中高層的偏西風出流強度相當，南北風氣流同樣在低渦中心附近交匯，低層偏北風氣流也有顯著的入侵現象，只是這股偏北氣流略弱于對照試驗（圖10c）。22日06時，對照試驗的低層偏東氣流有所減弱，但低渦西側的偏西風入流在整層都有顯著增強，在此地交匯的南北風氣流比22日00時更強，表現出非常強烈的氣旋性輻合特征（圖10b）。敏感性試驗中，低渦中心東側的低層偏東風入流和中高層偏西風出流顯著弱于對照試驗的結果，其西側低層也沒有像對照試驗那樣出現強的偏西風入流，南北方向的交匯氣流（尤其是低層偏北風）同樣遠遠弱于對照試驗的結果（圖10d），表現為敏感性試驗的整體水汽輻合顯著弱于對照試驗。

圖10 同圖9 ，但為緯向剖面（單位：g cm?1 hPa?1 s?1），其中陰影為東西向通量，等值線為南北向的水汽通量Fig.10 Same as Fig.9, but for the zonal section of water vapor flux(units:g.cm?1 hPa?1 s?1).The shaded area is the east–west flux,and the contour line isthesouth–north water vapor flux.

22日00時，對照試驗中，西南渦中心低層輻合和高層輻散特征明顯，最大正渦度中心位于700 hPa高度附近，其值超過4×10?4s?1（圖11a）。敏感性試驗中，低渦中心低層輻合略強于對照試驗，但高層輻散弱于對照試驗且輻散大值區位于500 hPa高度附近，遠遠低于對照試驗，最大正渦度中心位于750 hPa附近，其值同樣超過4×10?4s?1，與對照試驗相當（圖11c）。22日06時，對照試驗的低層輻合和高層輻散皆顯著增強，垂直方向上正渦度的范圍增大，強度有所增強，最大正渦度中心位置也相應地變高，低渦呈現明顯的發展增強狀態（圖11b）。敏感性試驗中，低渦低層的輻合強度變化不大，垂直方向上范圍有所增加，高層輻散強中心高度抬高，強度明顯增強，但與對照試驗相比，輻合和輻散強度都明顯偏弱。正渦度也同樣發展增強，最大正渦度達到5×10?4s?1，位于750 hPa高度附近（圖11d）。整層的輻合輻散強度對西南渦的發展演變起著非常重要的作用，尤其是高層輻散的作用。

圖11 同圖8 ，但為渦度和散度（單位：10?4 s?1）。其中陰影為散度，等值線為渦度Fig.11 Sameas Fig.8,but for vorticity and divergence (units:10?4 s?1).The shaded area is the divergenceand the contour isthevorticity

4 結論和討論

本文以“20150721”過程為例，通過增強副高強度的敏感性數值試驗和對照數值試驗的對比分析，探討了增強副高強度對伴隨副高東退而東移的西南渦發展演變過程的影響，得到以下主要結論：

（1）副高強度增強以后，可長時間的保持其強度，通過系統間的相互作用能對同樣是大尺度系統的北方冷渦造成一定的影響，更能對西南渦這樣的中小尺度天氣系統發展演變過程造成持續影響。西南渦路徑和強度的變化直接改變了降水的落區和強度。

（2）副高強度增大以后，隨之改變的是環流場：入侵的北風偏弱，西南引導氣流偏強，最終導致西南渦發展偏弱移速偏快。

（3）流場的改變直接影響到水汽輸送和輻合輻散：低層偏北冷空氣的影響被極大地削弱的同時，西南暖濕氣流的水汽輻合和垂直向上輸送也顯著減弱，使得潛熱反饋作用隨之減弱，因此不利于西南渦的發展。整層的輻合輻散強度對西南渦的發展演變起著非常重要的作用，尤其是高層輻散的作用。

（4）副高強度增大以后，西南渦移速過快，導致了低渦中心與低層熱力中心偏離，使得動力和熱力作用不能完全協調發展，由此削弱西南渦的發展強度。

以上結論僅是針對一次伴隨副高東退而快速東移的西南渦發展過程的敏感性數值試驗研究結果，今后還需通過更多類似的西南渦過程進行深入分析，以進一步認識副高強度變化對東移型西南渦的具體影響。